汽车HUD（Head-up Display）的技术难点

汽车HUD（Head-up Display）的技术难点

首先解析一下HUD是什么原理吧。其实就是把车的前挡风玻璃当成反射镜，在驾驶员人眼前投射一个仪表盘的虚像。图像本身来自下方的电子发光屏，发出仪表盘的图形。

 

 

 HUD显示的车辆信息内容有行车速度、自适应巡航功能、变道辅助功能、导航功能、夜视系统开启标示、疲劳提醒等功能（视车型配置）。

 

 

 大概是这么个结构：

 

 

 光学系统放大点，大概长这样：

 

 

 技术难点：

一、挡风玻璃的形状

车前挡风玻璃是个自由曲面，即没有任何对称性。一般的光学设计都会尽量要求旋转对称，否则成像可能会发生各种扭曲。回忆一下照哈哈镜的体验，弯曲的镜面会带来成像的各种扭曲，效果让人捧腹。但是在HUD系统中，如果下方发光屏发出的图像是正常无扭曲的，那么由于自由曲面挡风玻璃的缘故，到人眼里看到的图像就会有畸变。

解决方案？可以通过让系统中其它的反射镜也做成自由曲面，并最终抵消掉挡风玻璃带来的畸变。或者在发光屏放出来的图像本身经过一定的畸变处理，使得最终效果无畸变。

好在，挡风玻璃的扭曲程度一般不大，带来的图像畸变程度有限。有的设计厂家直接就忽略掉这点，倒也不会带来太灾难性的后果。也有另一种HUD的流派，不是用挡风玻璃作为反光屏，而是它自带反光板，这个反光板的形状就可以选取地更方便设计了，一般球面就好。这个叫做后装HUD，设计难度上会小很多。

 

 

 二、重影

HUD设计中，挡风玻璃作为反光面。但是挡风玻璃有前后2个面啊！图像在前后2个面的反射都会进入人眼，如果不进行消除，就会是重影。就像下图所示：

 

 解决方案？可以有多种不同的办法。在此介绍BMW公司HUD的对于重影的解决办法：在挡风玻璃内侧贴一层楔形塑料，即不同位置厚薄不同。这个楔形倾斜度，刚好可以把2次反射的光线聚成同一路。光路说明如下：

 

 

 三、亮度

之前一直说把挡风玻璃当做反光面使用。但是它毕竟是块透明玻璃啊，能够反射回来的光只占总强度的百分之几，绝大部分光还是直接透出去的。黑夜里，由于车外光线弱，这些反射回来的光也够用了，但是白天，环境光很强，几乎是很难看见这个反射光的。

解决方案无非是HUD亮度可调，或者在挡风玻璃上贴膜增加反射。但是都不够理想。可以说至今还没有哪一款HUD在阳光好的白天能够达到理想的使用状态的。

四、人眼位置

驾驶员的脑袋不可能一直不动吧，所以HUD设计的时候要保证在一个较大的范围内都能看到清晰无畸变的图像。而且不同的驾驶者习惯的目视位置也不同。

解决方案？得做2点。首先HUD本身可视范围要大，光学设计专业术语叫eyebox要大，这点已经对光学设计方面有一定挑战了。其次HUD得有一定的位置调节能力，可以按照不同驾驶员的身高、坐姿等进行调节，一般通过移动旋转镜片来达成。

五．色度，灯厂对于色度有非常严格的要求。

led本身发光符合一个规定的色度范围并不难，但是在不同的工况下，主要是温度，机械结构等，能保证这色度在变态的耐久测试下都在规定范围就非常难。举个简单的例子，led并不是直接照射在屏幕上面了，背光，或者主屏幕的光很多时候是需要一个光导，或者塑料透镜的，众所周知，塑料这东西就是个热胀冷缩效应非常挑剔的东西，稍微多出个2%都有可能让整个投射效果一塌糊涂。再及，注塑本身也是需要“老司机”熟识各种注塑参数细节，才能制造出透亮的塑料光导。

六．HUD的两面反射镜。

一面曲率稳定没有瑕疵，起泡的大反射镜对于很多人来说就是看着好看。但是光学相关行业的人都知道，怎样使得镀层厚度均匀，怎样不发彩。还有对于各类色差的处理，场区色散，说来简单，其实背后的工艺积累并非一朝一夕。

七．最后一面镜子。

也许大家都用过高德在手机上所谓的HUD功能，打开手机往屏幕下面一放，就有个模模糊糊的影子投在眼前的风挡上了。

八．鬼影

可是，模模糊糊怎么能是我大灯厂豪华车追求的效果？

模模糊糊的鬼影效果又该怎么处理掉？

这里补充一点背景知识，大部分的风挡都是双层的，光照射到平行的双层玻璃上以后会产生两次反射，反射出来的光会产生两个虚焦点，也因此我们会观察到两个虚像，所谓鬼影。

为了解决这个问题，需要特质成特殊角度的前挡风玻璃，让两个虚焦点可以合并成一个已解决问题。

这些涉及到角度的计算，粘合工艺，HUD的投射位置，范围， 角度。

总之，HUD看上去技术上难点并不多，更多的考验的是工艺，然而工艺的完善就是精益求精的结果。